Rubrica scientifica: cosa sono le onde elettromagnetiche e perché ci circondano

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Sempre più spesso sentiamo parlare di radiazioni, onde radio, raggi-X, luce... tutti fenomeni fisici riconducibili ad un unico nome: onda elettromagnetica. Parliamo sostanzialmente di energia del campo elettromagnetico che ha la capacità di propagarsi nello spazio secondo un moto ondulatorio.

Siamo nel XIX secolo, quando Maxwell raccoglie e unisce tutte le equazioni note sui fenomeni elettrici e magnetici, dimostrando che l'uno genera l'altro, e ammettendo la possibilità di una soluzione ondulatoria che condurrà alla scoperta delle onde elettromagnetiche, e quindi alla natura della luce stessa.

Quindi queste onde elettromagnetiche non sono altro che energia che si propaga nello spazio, anche in assenza di materia, con velocità prossime a quella della luce. A questo punto dovrebbe esservi chiaro perché i vostri messaggi di WhatsApp arrivano istantaneamente sul vostro smartphone.

Ma chi le genere queste onde elettromagnetiche?
La risposta è: tutta la materia. Basta che un elettrone compia un'accelerazione affinché venga emessa una radiazione elettromagnetica. Quindi, sapendo che la materia è composta da atomi, a loro volta aventi elettroni orbitanti attorno ad un nucleo, è chiaro che queste radiazioni sono generate da un qualunque corpo composto da atomi stessi. Ma il sapere di essere dei corpi che emettono radiazioni non ci rende automaticamente delle antenne viventi, perché un'onda elettromagnetica può essere sfruttata in qualche applicazione quando ha la giusta quantità di energia e la giusta direzione di propagazione.

Per generare un'onda elettromagnetica che possa inviare un messaggio dall'Italia all'America ci vuole un'antenna sulla quale vengono fatti accelerare degli elettroni: con un adeguato flusso di correnti alternate è possibile generare onde radio aventi l'energia sufficiente per la trasmissione oltreoceano. Grazie alla riflessione sulla ionosfera terrestre, siamo in grado di mandare quest'onda sul suolo americano, che verrà ricevuta da un'altra antenna. Il "contatto" di quest'onda con l'antenna ricevente genererà delle correnti molto simili a quelle usate nell'antenna che trasmette in Italia, e grazie a qualche diavoleria elettronica sarà possibile ricostruire il messaggio iniziale.

Cosa bisogna immaginarsi pensando ad un'onda elettromagnetica?
Non esiste una maniera univoca per pensare a questo fenomeno fisico. Per semplicità potete pensare che le antenne come quelle degli smartphone emettono onde in tutte le direzioni, quindi è plausibile immaginarsi delle sfere di energia che si allargano nello spazio circostante. Più queste sfere si ingrandiscono, più l'energia man mano si disperde. Se invece vi viene in mente un'antenna parabolica che trasmette è più corretto pensare ad un fascio di energia verso la direzione puntata dall'antenna stessa. Tenete ben presente che l'immagine associata a questa news rappresenta una scarica elettrica e non un'onda elettromagnetica.

Quindi l'antenna che abbiamo a casa emette energia?
Sì, ma parliamo di onde elettromagnetiche ad una frequenza tale da non essere visibile all'occhio umano. Anche il nostro occhio è una specie di "antenna" che riceve solo determinate onde elettromagnetiche, ovvero quelle della luce. Infatti non ci è possibile vedere le onde radio, l'infrarosso, l'ultravioletto, i raggi-X, e chi più ne ha più ne metta.

Ma le onde elettromagnetiche sono anche responsabili del suono?
No, il suono si propaga sempre tramite onde, ma quel che avviene è l'oscillazione della materia e non la propagazione di energia elettromagnetica, bensì di un altro tipo di energia. Il fenomeno è diverso, si verifica solo in presenza di atomi e non nel vuoto.

Ma cos'è questa frequenza di cui si sente parlare?
Le onde elettromagnetiche sono, appunto, onde. Quindi si propagano attraverso un moto ondulatorio sempre uguale a sé stesso. Se prima è stato detto che si può pensare alle onde degli smartphone come a sfere che si allargano nello spazio, è anche vero che in ogni punto di quella sfera l'intensità dei campi elettromagnetici varia secondo una sinusoide. Questo video preso da youtube è sicuramente più esplicativo e mostra come l'intensità di un campo varia nello spazio come una palla che rimbalza. Se i campi si propagano secondo un andamento ondulatorio, come le onde del mare, è possibile pensare al calcolo della frequenza di queste onde, ovvero quante ne misuriamo in un secondo. Ed ecco dunque che entrano in gioco gli Hertz unità di misura della frequenza: le onde elettromagnetiche del vostro router Wi-Fi hanno una frequenza pari circa a 2,4 GHz, ovvero in un secondo i campi oscillano 2,4 miliardi di volte. Nell'immagine in basso c'è una rappresentazione delle onde elettromagnetiche suddivise in base alla frequenza.

Ma che significa che oscillano? Non dovrebbero viaggiare a velocità prossime a quelle della luce?
Qui entra in gioco parte della vostra immaginazione. D'altronde per la comprensione di un argomento è determinante la struttura che utilizziamo per immagazzinare i concetti base nella nostra mente. Sostanzialmente dovete immaginarvi che l'antenna dentro lo smartphone irradia energia secondo sfere che si allargano e propagano verso l'esterno quasi alla velocità della luce. Su queste sfere il campo elettrico e quello magnetico variano la propria intensità in maniera ondulatoria, ovvero il loro valore cambia progressivamente mentre l'onda si sposta, compiendo ad esempio 3 miliardi di oscillazioni se la frequenza dell'onda è di 3 GHz.

Queste onde elettromagnetiche provocano danni agli organismi?
Questo è un argomento delicato di cui si parla troppo e in maniera troppo approssimativa. In generale le onde elettromagnetiche cominciano ad essere dannose solo se la loro energia è grande e se la loro frequenza è alta (che in ambito scientifico non vuol dire nulla se non rapportato ad un esempio concreto). Di certo non vi consigliamo di mettere la vostra testa nel forno a microonde, che genera appunto microonde con frequenza dell'ordine dei GHz. Ma non è questo il motivo per cui sono dannose, bensì per la potenza con cui vengono emesse: la luce ad esempio ha una frequenza più alta delle microonde, eppure non siamo ancora finiti carbonizzati. Questo perché l'energia con cui veniamo colpiti generalmente non è così elevata. Se invece vi fate una bella vacanza sull'equatore, è consigliabile avere le giuste protezioni. Dunque questa domanda rimane senza risposta fintanto che non è chiaro l'esempio in esame.

Come posso proteggermi dalle onde elettromagnetiche?
Potete prendere come esempio l'amatissimo Chuck della serie TV "Better Call Saul", un avvocato brillante che crede di essere afflitto da una rara malattia che lo rende allergico alle onde elettromagnetiche (malattia che non ha basi scientifiche). Il buon vecchio Chuck non fa altro che eliminare tutte le fonti di onde elettromagnetiche aventi energia rilevante per casa: luce elettrica, dispositivi elettronici, batterie, e via dicendo. Inoltre quando esce di casa porta sempre con sé un tessuto sostanzialmente metallico sotto la sua giacca come protezione dalle onde. Astuto, visto che i materiali metallici riflettono le onde elettromagnetiche (per i più esperti, si parla della gabbia di Faraday). In ogni caso vi sconsigliamo di seguire il suo esempio.

Con questo articolo abbiamo inaugurato una serie di mini-articoli scientifici che hanno l'obiettivo di spiegare in termini chiari e semplici alcuni argomenti sicuramente complessi dal punto di vista numerico, ma non così difficili da spiegare concettualmente. Per qualsiasi dubbio vi invitiamo a lasciare un commento qui sotto, anche per eventuali richieste su argomenti futuri.

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